基于VRML的液压挖掘机工作装置运动仿真.pdf

制值业信息化 机械研究与应用 基于 V R ML的液压挖掘机工作装置运动仿真 张相宁， 李喜辉， 郭丽娟 唐 山轨道客 车有限责任公 司， 河北 唐 山0 6 3 0 3 5 摘要 针 对专业仿 真软件模 拟挖掘机 工作装 置运动存在 文件 大， 交互性 差 ， 不便 于网上传输 的缺点 ， 提 出了利 用 V R M L对液压挖掘机工作装置运动进行仿真的方法。利用 S o l i d Wo r k s建立液压挖掘机工作装置静态模型， 结 合各部件 之间的父子 关系和几何 关 系， 编写 V R ML程序 ， 完成挖掘机 工作装置仿真 系统 。此方 法对挖掘机 设 计水平的提高具有重要的理论意义和实际价值。 关键词 V R ML ； 液压挖掘机 ； 工作装置 ； 交互性 中图分类号 ’r U 6 2 1哪 9 1 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 4 4 1 4 2 0 1 0 0 2一 O 1 0 6一 o 4 M o t i o n s i m ula t i o n o f wo r k d e v i c e o f hy d r a u l i c e x c a v a t o r b a s e d o n V L Z h a n g X i a n g n i n g ， L i X i h u i ， G u o L i j u a n T a n g s h a n r a i l w a y v e h i c l e C o ． ， L t d ，T a n g s h a n H e b e i 0 6 3 0 3 5 ，C h i n a Ab s t r a c t Wh e n s p e c i a l s i mu l a t i o n s o f t w a r e s i mula t i n g t h e mo t i o n o f w o r k d e v i c e o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r ，t h e fi l e i s b u l k y a n d t h e i n t e r a c t i o n i s w e a k a n d i t i s衄c u l t t o t r a n s f e r o n t h e w e b ．Ai mi n g a t the d e ft c i e n e y． the mo v e me n t s i mula fi o n me tho d of wo r k d e v i c e o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r i s d e v e l o p e d b a s e d o n VRML ．T h e s t a t i c d i me n s i o n a l mo d e l of the h y d r a u l i c e x c a v a t o r i S d e s i g n e d u s i n g the S o l i d Wo r k s s o f t wa r e ．C o mb i n i n g t h e g e o me t r y r e l a ti o n s o f t h e e x c a v a t o r p a r t s and i t s f a the r and s o n r e l a - t i o n s 。t h e VRML p r o g r a m o f t h e wo r k d e v i c e i s c o mp o s e d ． r } l e s i mu l a t i o n s y s t e m o f w o r k d e v i c e of t h e e x c a v a t o r i s c o mp l e t e d ． T l l i 8 me t h o d h a s i mp o r t a n t the o r e t i c al s i g n i fi c anc e a n d p r a c t i c al v a l u e f o r i mp r o v i n g t h e l e v e l of e x c a v a t o r d e s i gn ． Ke y wo r d s VRML；e x c a v a t o r ；w o r k d e v i c e ；i n t e r a c t i o n 1 V I L描述物体运动简介 采用 V R ML 虚 拟 现实 建 模语 言 结 合 S o l i d Wo r k s 软件建立 了可交互、 简约而友好 的液压挖掘机 工作装置运动仿真系统， 用 I E浏览时， 设计人员可以 从各个角度观看外型， 而且能够操作其中的部分构 件， 并通过触、 摸等手段与虚拟空间进行交互- 1 J ， 真 正让挖掘机工作装置 的计算机辅助设计从静态走向 了动态。 1 ． 1 VR ML及 其特 点 V R ML是一种网络虚拟现实建模语言， 由它所形 成的文件包含一系列的节点 n o d e s ， 节点定义三维 虚拟场景的各种属性， 节点间以“ 父子” 关系形成层 次性结构， 并 可以通过事 件相互通 讯， 用 户可通过 V R ML编程来实现各个节 点的简单和复杂 的动作。 其动画的实质是依靠一个给定的时间传感器 T i m e r s e n s o r 和一系列的插补器节点 i n t e r p o l a t o r 如位置、 色彩、 梯度、 坐标、 方向等实现关键帧动画l 2 】 。 1 ． 2 时间传感器节点 时间传感器节点的作用是创建一个虚拟时钟， 可 向其他节点发送时间值 [ 3 】 。节点结构和格式如下 节点语法定义 T i m e S e n o r { S FT i me TRUE F AL SE 0 FBo o l FBo 0 l S Fnme s t o p T i me 0 S F T i me } c y c l e l n t e r v a l 是每个变化周期的长度， 以秒为单 位， 取值大于0 ； e n a b l e d 设定是否产生时间的相关作 用 ； l o o p表明时间传感器是无 限循环 ， 还是在后一个 周期后被终止 ； s t a r t T i m e开始产生事件时间 ； s t o p T i m e 终止产生事件时问。 1 ． 3 插补器节点 V R ML设计了许多插补器节点对应着不 同状态 的变化， 这些插补器节点根据时钟得到信息， 从相应 的索引表中获得适当的一组关键值， 这组关键值被输 出到对应节点的域从而决定了物体的新状态。 插补器的语法结构 K e y [ ] k e y V al u e [ ] s e t _ f r a c t i o n e v e n t I n v a l u e ．c h a n g e d e v e nt Ou t k e y为时间关键值 比例列表； k e y V alu e为事件关 键值列表， 取值与所要改变的状态域值有关 ； s e t _ f r a c t i o n为动画完成的比率； v a l u e c h a n g e d为与比率对应 的事件值 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 1 0 5 作者简介 张相宁 1 9 8 2 一 ， 男， 河北辛集人， 助理工程师， 研究方向 机械设计。 ． 1 06 ． ～ 机械研究与应用 1 ． 4 检测器节点 检测器是 V R M L中提供交互能力和状态行为的 基元 ， 检测器节点是用户与虚拟世界中的物体进行交 互的机制。具体来说， 检测器节点使用一个定点设备 如 鼠标 来感 知用户 的动作并 产生相应 的事件 e ． v e n t 。这一事件经 过路 由 R O U T E 将 消息传送 到 相关节点 ， 从而使虚拟世界中的对象发生响应 。 1 ． 5 入事件和出事件的绑定 在 V R ML中， 每一 个 节点 一般 都有 两种 事件 ， “ 人事件 ” e v e n t l n 和 “ 出事件” e v e n t O u t ， “ 人 事 件” 相当于函数调用的人口参数， 而“ 出事件” 相当于 函数调用时返回的值， 每个节点通过这些“ 人事件” 和“ 出事件” 来改变 自己的域值 。 以下语句将时间传感器绑定给人事件 ROUTE Ti me ． f r a c t i o n ．c ha n g e d TO Mo v e r． s e t． f r a c tio n 在 s e t f r a c t i o n函数 内可 以人 工编制代码计算 物体 的移动 、 旋转等状态参数 ， 再将计算值赋给 出事 件数据对象 e v e n t N a me ， 通过 以下语句将 数据对象绑 定给指定的虚拟物体， 虚拟物体就可运动了。 R O U T E M o v e r ． E v e n t N a me T O o b j e c t _n a me． s e t r o t a t i o n 2 液压挖 掘机工作装置 的虚拟仿真 2 ． 1 模型的建立 液压挖掘机工作装置主要 由动臂、 斗杆、 铲斗 、 铲 斗摇杆、 铲斗连杆、 动臂液压缸 、 动臂液压活塞杆、 斗 杆液压缸、 斗杆液压活塞杆、 铲斗液压缸 、 铲斗液压活 塞杆共 1 1 个运动部件组成L 4 】 ， 各部件间全部采用铰 接 ， 通过油缸的伸缩来实现挖掘过程中的各种动作 。 建模在 S o l i d Wo r k s 环境下进行 ， 参考挖掘机的相 关设计资料 ， 利用 S o l i d Wo r k s 中的拉伸、 阵列 、 切除等 基本命令建立液压挖掘机工作装置各个零部件图， 采 用 自下 向上设计方法进行装配 ， 最终得到的工作装置 装配 图如图 1 所示。 然后 通过 S o l i d Wo r k s 所拥有 的干涉 检查功能对挖掘机三 维模 型进 行检查 ， 确 保模型准确无误后， 执 行 S o l i d Wo r k s 中 “ 文件” 栏下 的“ 另存 图1 挖掘机工作装置装配图 为” 命令， 选择保存类型为“ V R M L ．c ． w d ” 格式， 然 后点击“ 另存为” 窗 口下的“ 选项” ， 弹出“ 输出选项” 窗口， 将版本设为 V R M L 9 7 ， 将其转化为 V R M L文件。 但 V R ML文件 中挖掘机工作装置 的各部件的节 点均为如下格式 制造 业信息化 T r a n s f o r l T l{ c h i l d r e n[ S h a p e{ } } ] } 因此需 将 V R ML文件导 人到 V R ML开 发工 具 V r m l P a d中 ， 利用 V r r n l P a d能够显示节点缩略 图的功 能对各个零部件节点进行辨认 ， 并利 用 V R ML中的 D E F 重定义节点 对其进行重定义 ， 以利于在后续工 作中对各节点进行操作 。 图 2 挖掘机工作装置父子嵌套关 系图 2 ． 2 工作装置运动处理 在液压挖掘机工作装置实际工作 中， 动臂的运动 是 由动臂液压活塞杆在动臂液压缸 中的伸缩运动引 起的， 斗杆的运动是斗杆液压活塞杆在其液压缸中的 伸缩运动与动臂运动的合成运动 ， 铲斗的运动是铲斗 液压活塞杆在其液压缸中的伸缩运动与动臂斗杆运 动的合成运动。传统方法通过用矩阵计算出工作装 置各个不同部分运动的瞬时位置坐标然后再显示 ， 计 算非常复杂 J ， 尤其是对 于那些 更多 自由度 的工作 装置。在 V R ML中， 一个变换节点可以包含一系列子 节点 ， 而这些子结点又可以包含 自己的子结点 ， 父与子 具有动作继承关系 即父动子随之动， 子动父不动 ， 这 样可在编写程序时可将父作为参考物 ， 只需考虑子的 运动。根据挖掘机工作装置各零部件关系与计算方便 的要求， 将其父子嵌套关系设置如图2所示。 2 ． 3各机构的几何关 系分析 在 2 ． 2已设置好 的各零部件之间父子关 系基础 之上， 按照运动起始结束时间相同的原则， 在不影响 仿真效果的前提下 ， 将液压挖掘机工作装置分为动臂 机构 、 斗杆机构和铲斗机构 ， 并分别假想动臂、 斗杆和 铲斗分别为三个机构 的运动产生者 。在编制各机构 的 V R M L程序 时， 首先设定运动产 生者 的旋转 角速 度 ， 再根据此机构的几何关系求得其他部件 的旋转角 速度 ， 然后选取一系列时刻根据各部件 的旋转角速度 计算出其在相应时刻的旋转角度， 这组旋转角度值即 为程序中各部件插补器节点索引表中的关键值。 对动臂机构的几何关系分析如图3 所示， 动臂与 ． 1 0 7 圈 匿 制值业信息化 机械研究与应 用 工作台的铰点 A 、 动臂液压缸与工作台的铰点 和动 臂与动臂液压活塞杆的铰点 C组建 AA B C， 此三角形 的两边 A B、 A C长度固定不变且 A B固定不动， A C以 一 定的角速度 即动臂 的旋转速度 旋转 ， 则 LB A C 在任一时刻的值可确定。根据三角形正余弦定理和 内角和定理， 可计算 出对应时刻 B C的长度、 LA B C 和 LA C B的值。 曰 C , ／ A C A B 一2A B A C c o s B A C 1 LABC a r c s i n A C x s i n B A C 2 LA C B 1 8 0 。一A B CLB A C 3 LA B C和LA C B的变化值即为动臂液压缸和动 臂液压活塞杆的旋转角度。为了计算简单方便 ， 可利 用 Ma t l a b的循环控制程序进行求解。若求 ／A B C和 凹 的五个瞬时变化值， 其程序代码如下 f o r t 一4 1 s a s i n AC s i n B A CW t ／ a b s s q r t A B e 2 A C 22 AB A C}C O S , B A CW t 一 ABC k1 8 0 一sBAC ACB ／ ／ 设 s 为 A B C的变化值， k为 A C B的变化值 ， W 为动臂旋转角速度， t 为时间， A B C 、 B A C 、 A C B分别为 LA B C、 LB A C、 LA C B起始值。 En d 斗杆机构的几何关 系也可以仿照动臂机构的几 何关系进行计算。 对于铲斗机构 ， 铲斗摇杆、 铲斗连杆 、 铲斗液压 缸、 铲斗液压活塞杆与铲斗组成五边形 T MN S O如图 4所示 ， 直接利用此五边形的几何关系无法计算 出铲 斗机构各部件对应时刻的旋转角度 ， 可用如下方法解 决 在 五边形 T M N S O中， 连接 O N组建 四边形 O N - MT ， 再 连 接 O M， 将 四边 形 O N MT分 为 AT MO 和 △MNO。 图3 动臂机构几何关系图 图4 铲斗机构几何关系图 1 在 AT MO中， O T 、 T M 的长度 固定 不变， 且 O T固定不动， T M以一定的角速度 即铲斗的旋转速 度 旋转， ／O T M在任一时刻的值即可确定。根据三 角形正余弦定理， 计算 出对应时刻 O M 的长度和 1 0 8 L T O M 的值 D M ／ 0 T M22O TT M e o s OT M 4 ／_T O M a r c s i n T M x s i n O T M 5 2 在AMO N中， O N、 MN长度不变且 O M 在对 应时刻的长度 已 由式 4 求 出， 根据三 角形余弦定 理， 计算出LM O N和LO N M对应时刻的值 Z ． MO N a r c s i nMO 2 N O 2- MN 2 6 D 删a r c s i n O N 2 MN 2-O M2 7 O N M的变 化值 即为铲斗摇 杆 MN的旋 转角 度； T O N T O M LMO N， 其变化值 即为铲斗连 杆 O N的旋转角度。 3 LS O NLT O S LT O N ， LT O S 是固定值， |s D和 O N长度固定不变， 利用三角形正余弦定理和 内角和定理列出下列三个公式 S N ／ O S D 一2O SO N c o s S O N 8 OS N a r c s i nON 石 s i n N O S 9 』 V ． O N S1 8 0 。一 O S N一 S J7 、 r 1 O O S N和／O N S的变化值分别为铲斗液压缸和 铲斗液压活塞杆的旋转角度。 2 ． 4 液压挖掘机工作装置交互程序的编写 将上述工作完成后 ， 将对各部件节点进行设置。 以动臂为例， 其编写步骤和代码如下 第一步 O r i e n ta t io n I n t e r p o l a to r 方向插补器 默 认是以 z轴为旋转轴 ， 按照动臂旋转的要求， 必须将 动臂与工作台的铰点设定为旋转中心， 这样， 动臂将 以通过此铰点与z轴平行的直线为旋转轴。具体方 法是在 S o l i d Wo r k s 中计算出动臂与工作台的铰点的 坐标和 y坐标 ， 然后在在动臂程序 T r a n s f o r m节点 开头加入 c e n t e r 域 。 第二步 在动臂程序 T r a n s f o r m节点中加入两个 T o u c h S e n s o r 接触检测器 节点 ， 其 主要 功能是 产生 定点输入设备 本设计是 鼠标 的事件 ， 当用户用 鼠 标点击动臂的任何部位时， V R M L都会检测到接触， 并且将其输出。 第三步 在 T o u c h S e n s o r节点下加入 T i m e S e n s o r 时间传感器 节点， 其主要功能是当用户点击动臂 后， 时间传感器被打开， 动臂开始运动， 当用户再次点 击动臂后， 时间传感器被关闭， 动臂停止运动。在此 设计中， 将 c y c l e I n t e r v a l 循环周期设定为 2 0 s 。 第 四步 在 T i me S e n s o r 节点下加入 O r i e n t a t i o n I n t e r p o la to r 方向插补器 节点， 其主要功能是使动臂发 生旋转， 并规定动臂围绕旋转的旋转轴和角度。在此 机械研究与应用 设计 中， 将 k e y域关键帧时间的列表设定为 0 ． 0， 0 ． 1 ， 0 ． 2 ⋯⋯1 ． 0 ， k e y V a l u e 域方向值列表为以 0为初始点 的0 ． 1 7 7为步长的等差序列。其意义为以在 S o l i d Wo r k s 中所设计的动臂位置为起点， 然后以0 ． 1 7 7 ／ 2 0 0 ． 1 r a d ／ s的速度逆时针旋转。 第五步 在程序末尾加入路 由， 首先 由触摸检测 器传到时间传感器 ， 然后 由时间传感器传到方向插补 器 ， 再 由方向插补器传到动臂的旋转。 旋转 中心的设置 Ce n t e r 一0． 0 2 8 93 76 5 0． 0 4 4 96 0 6 7 6 0 触摸检测器 D E F T o u c h d o n g b i 0 T o u c h S e n s o r{ e n a b l e d TRUE } D E F T o u c h d o n g b i l T o u c h S e n s o r{ e n a b l e d TRUE } 时间传感器 D E F T i m e T i m e S e n s o r{ e n ab l e d TRUE s t a r t Ti me 0 e y c l e l n t e r v a l 2 0 l o o p F AL S E } 方向插补器 D E F x y d o n g b i O r i e n t a t i o n l n t e r p o l a t o r{ k e y [0 ，0 ． 1 ， 0 ． 2， 0 ． 3 ， 0 ． 4 ，0 ． 5 ， 0 ． 6 ， 0 ． 7 ， 0 ． 8 ， 0 ． 9， 1] k e y V a l u e [ 0 0 1 0 ， 0 0 1 0． 1 77，0 0 1 0． 3 5 4， 0 0 1 0． 3 5 4，0 0 1 0． 1 7 7， 0 0 I 一0． 5 31，0 0 1 0， 0 0 1 -0． 7 08，0 0 1 0．1 7 7， 0 0 1 0． 5 31，0 0 1 0 ] } ] } 路由设 置 ROU T E T o u e h d o n g b i 0 ．t o u c h T i me T O T i me ．s e t s t a r t Ti me ROU TE T o u e h d o n g b i l ．t o u c h T i me T O T i me ．s e t s t o p Ti me 制埴 业信息化 ROUTE Ti me ． f r a c t i o n c h a ng e d TO x y d o ng b i ．s e tf r a c t i o n ROU T E x y d o n g b i ． v a l u e c h a n g e d TO d o n g b i ． s e t r ot a- fi o n 然后按五个步骤依次编写其他部件的交互程序， 完成挖掘机工作装置交互程序 的编制。 3 液压挖掘机工作装置仿真 系统 的使用 完成上述工作后 ， 利用 I E 5 ． 0以上版本 自带 的 Wo d d v i e w 2 ． 0或者在其他版本安装 C o r t o n a浏览器， 即 可浏览液压挖掘机工作装置仿真系统， 如图 5所示。 用户用鼠标点击挖掘机动臂 ， 则动臂开始绕工作 台与动臂之间的铰点旋转 ； 若 鼠标点击斗杆 ， 则斗杆 开始绕动臂与斗杆之 间的铰点旋 转 ； 若 鼠标点击铲 斗 ， 则铲斗开始绕斗杆与铲斗之间的铰点旋转。三者 的旋转运动可同时进行 ， 也可分别进行。动臂、 斗杆 、 铲斗同时做旋转运动某时刻如图 6所示。 图5 挖掘机工作装置 图6 挖掘机工作装置运 仿真系统 动某时刻图 4 总 结 利用 V R ML对液压挖掘机工作装置进行虚拟仿 真 ， 具有 以下优点 ①更加逼真 ； ②交互性强 ； ③能够 脱离软件平台； ④只有 4 4 7 K大小， 便于网上传输， 设 计人员可通过互联网进行协同设计和交互式设计； ⑤ 对系统的要求较低 。另外 ， 由于在设计仿真过程中所 应用的S o l i d Wo r k s 软件和 V R ML具有广泛的适用性 ， 对其他机械产品的研发设计也具有借鉴意义。 参考文献 [ 1 ] 梁晖， 刘晓明． 在 We b中利用 V R M L实现机械结构运动仿真 [ J ] ． 机械与电子 ， 2 0 0 2 ， 2 6 9- 7 2 ． [ 2 ] 吴小华． V R M L与 J A V A编程[ M] ． 北京 国防工业出版社， 2 0 0 2． [ 3 ] 方锡武， 基于 V R M L的机械传动机构的运动仿真[ J ] ． 计算机仿 真 ， 2 0 0 7， 2 4 6 2 0 3- 2 0 6 ． [ 4 】 王桂新， 杨彦龙． 基于 A D A M S的液压挖掘机工作装置的仿真分 析[ J ] ． 河北工业大学学报， 3 7 3 5 9- 6 1 ． [ 5 ] 温磊， 梁真毓， 迟永滨． 基于 V B和 O p e n G L的挖掘机械实时运 动仿真[ J ] ． 计算机辅助工程 ， 2 0 0 8。 1 7 2 6 97 2 ． 1 0 9